Fabrication of diluted magnetic semiconductor crystals by ion-implantation technique

イオン注入法による希薄磁性半導体結晶の創製

薮内 敦; 前川 雅樹; 河裾 厚男; 圓谷 志郎; 松本 吉弘; 境 誠司; 山本 春也

Yabuuchi, Atsushi; Maekawa, Masaki; Kawasuso, Atsuo; Entani, Shiro; Matsumoto, Yoshihiro; Sakai, Seiji; Yamamoto, Shunya

イオン注入法は非平衡濃度の不純物元素を結晶中に低温で添加することができる技術であり、これは二次相の析出を抑制しつつ高濃度に磁性元素を添加することが求められる希薄磁性半導体(DMS)結晶の創製においても有用な手法である。イオン注入法では照射誘起空孔が導入されるが、空孔の存在がDMSの磁性発現に影響を与える可能性が言われていることから、DMS結晶中の空孔型欠陥のアニール挙動を調べることは重要である。本研究では化合物半導体結晶に磁性元素をイオン注入することによるDMS結晶の創製を試みるとともに、照射誘起空孔の熱回復挙動について評価した。その結果、最大380keVで110Cr/cmのCrイオンを注入したn-ZnO(0001)単結晶中の照射誘起空孔はN雰囲気中での900C30分の熱処理によりほぼ未照射の状態まで回復することが陽電子消滅測定より明らかになった。本試料では、1100Cアニール後のXRD測定でも二次相の析出は認められなかったものの、SQUID測定から明瞭な磁気ヒステリシスは観測されなかった。

Ion implantation technique is expected to be useful in fabrication of diluted magnetic semiconductors (DMS) that require high concentration magnetic atom doping without a secondary phase formation. However, ion implantation surely introduces irradiation-induced vacancies into crystals. Recent calculation studies have suggested a presence of vacancies affect the magnetic properties in DMS. In this study, magnetic ions were implanted into compound semiconductor crystals by using ion implantation. N-type ZnO(0001) crystals were implanted with 380 keV maximum energy Cr ions to a dose of 110 ions/cm. After ion implantation, isochronal annealing in steps of 30 min/100 C was performed. From the measurement results, irradiation-induced vacancies were annealed out at 900 C. From XRD measurements after annealing at 1100 C, no secondary phase peaks were observed. However, from SQUID measurement, a clear magnetic hysteresis was not observed.